JP2740883B2 - レーザ放射のパワー測定装置 - Google Patents

レーザ放射のパワー測定装置

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JP2740883B2
JP2740883B2 JP7510120A JP51012095A JP2740883B2 JP 2740883 B2 JP2740883 B2 JP 2740883B2 JP 7510120 A JP7510120 A JP 7510120A JP 51012095 A JP51012095 A JP 51012095A JP 2740883 B2 JP2740883 B2 JP 2740883B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ放射のパワー測定のための装置に関
する。
レーザ放射、特に、CO2レーザ放射は、産業、医学、
および研究において種々の目的のために用いられてい
る。重要な応用分野は、レーザ放射を用いた、材料、特
に金属の処理である。CO2レーザの場合、材料表面をレ
ーザ放射の熱効果にさらすために、放射エネルギはたと
えばミラーのような光学素子を介して材料表面に向けら
れる。レーザ放射は、処理するべき材料表面に連続的に
またはパルスの形でとり入れられる。材料処理の分野に
おけるレーザ放射の実用的な応用のための1つの条件
は、予め選択された可変のまたは一定のパワー出力を観
測することである。たとえば、ロフィン・ジナール・レ
ーザ社(Rofin Sinar Laser GmbH)製造の5kW出力のCO2
レーザの冷却システムは、冷却水の温度の変動を最小に
するために、5000リットルの容量の熱蓄積タンクを備え
ている。冷却水の温度が0.5℃変動すると、レーザの出
力は約2%変化するであろう。ワークピースの処理中に
パワーがそのように変化すると、処理されているワーク
ピースにかなりの損傷を与え、そのワークピースが使い
ものにならなくなってしまう可能性がある。
レーザ放射パワーのパワー曲線またはその定常性を十
分に正確に観測するために、動作ステップの前または後
に、最後のビームの出口開口においてレーザ放射のパワ
ーが検査される。この測定は、たとえば熱量測定的に行
なわれる。このとき、レーザパルスを用いて、熱的に絶
縁された部分質量m、特に、銅質量を温度量Δθだけ加
熱する。その後、金属質量において等温の温度分布に達
した後に質量の温度上昇を測定する。その後、以下の式
に従ってレーザ放射のパワーを決定する。
N=mCΔ/Δt[W] m=質量[g] Δθ=温度上昇[度] Δt=パルス時間[s] パルス時間は、連続的なレーザビームの下でレーザビ
ームを通過する金属質量をレーザビームによって照射し
かつΔθだけ加熱する時間であってもよい。しかしなが
ら、上述のCO2レーザ製造会社によって行われたような
この測定方法ではかなりの誤差が生じやすい。理想的に
は、所与のレーザ放射エネルギの総量は、加熱するべき
金属ボディの表面のレーザ光を吸収することによって金
属ボディにとり入れられ、金属ボディにとり入れられる
エネルギとそのとき与えられたすべてのエネルギとの比
としての値εは1である。しかしながら、金属ボディの
表面上でレーザ光が反射することによって、完全な吸収
が妨げられ、測定方法においてそれに相当する誤差が生
じる。加熱するべき金属ボディの表面のブラッキングお
よび粗面化によって反射を十分に小さい値に低減しよう
としても、満足のいく結果は得られない。その理由の1
つは、光学的には、ボディのブラッキングの程度を永続
的にほぼ100%にすることができないことである。既知
の測定方法の不利な点は、レーザ放射の影響下、特に、
高パワー密度では、ブラッキングの目的で生成された層
が変化するかまたは与えられた層が剥がれ、その結果、
吸収係数が不安定になり不十分にしか最大にされないこ
とにもある。
したがって、本発明の目的は、十分に正確な測定結果
が得られるレーザ放射のパワー測定装置を提供すること
である。
これは、本発明に従った装置を用いて、請求項1に記
載の特徴によって解決される。
本発明に従った装置を用いれば、レーザ放射が他には
たとえば材料処理のために用いられる場所でレーザ放射
を正確に測定することができるようになる。通常のCO2
レーザパワー測定の間、成分のビームはレーザ出力窓の
真後ろで分岐され、フォトセル上に照射され、このフォ
トセルはその後パワーにほぼ等しい電気信号を出力す
る。この表示は不正確であり、さらに、出力窓と最後の
ビームの出力開口との間にある光学素子を介して生じる
パワーの低減をカバーしていない。レーザ放射のパワー
測定は、(レーザ放射のパルス化によって)高パワー密
度でも行なうことができる。
本発明の装置の構造とレーザ放射のパワー測定の際の
個々の構成要素の協働とを示す添付の図面を用いて以下
に本発明について説明する。
この装置は、そのシェルが中空の空間2を形成する金
属壁3からなる、特に円筒または多角形のボディとして
形成される第1の細長いボディ1を含む。ボディ1は、
本質的に既知であるいわゆる「黒体」である。壁は薄
く、その厚さはたとえば1mmである。この壁は、熱伝導
性に優れた材料、好ましくは銅からなる。第1のボディ
1の第1の長手方向の端部4には、添付の図面では本発
明に従った装置の上に示されている設備からのレーザ放
射を受ける役割を果たす開口5が設けられる。第1のボ
ディ1は、第1の長手方向の端部4およびしたがって開
口5と反対側の第2の長手方向の端部6で閉じられる。
この開口は、レーザ放射の断面プラス公差に対応する直
径を有する。この開口の直径は、たとえば2mmである。
第2の細長いボディ9は、長手方向の側面および第2
の長手方向の端部において第1のボディ1を囲む。第1
のボディおよび第2のボディは、特に、好ましくは互い
に同軸的に配置された円筒として、または、多角形のボ
ディとして形成される。
第1のボディ1および第2のボディ9は、蒸発可能な
熱伝達媒体11を導入することができる中間の空間10を形
成する。熱伝達媒体としては、たとえば、水、アルコー
ル、アセトン、または、(家庭用)冷却アグリゲートに
おいて用いられる冷却剤が用いられる。中間の空間10
は、その中に熱伝達媒体が挿入される閉じられた環状の
間隙である。
第1のボディの中空の空間2は、少なくともレーザ放
射が及ぶ領域において、黒いおよび/または粗い表面を
有する。吸収および放出の程度εがほぼ1となるよう
に、好ましくは、この中空の空間2の全表面が黒いおよ
び/または粗い。ブラッキングはたとえば酸化によって
行なわれ、表面の粗面化はたとえばピッチの細かいねじ
によって、またはローレット切りによって行なわれる。
十分に正確な測定結果を得るために、すなわち、電力
測定に関係のある構成要素の公差に鑑みて、第1のボデ
ィ1を形成する内筒の長さと直径との比は十分に大きく
される。第1のボディ1の内筒の長さと直径との比は、
好ましくは3よりも大きい。たとえば、直径は12mmとな
るように選択され、長さは90mmとなるように選択され
る。黒体を実現するためには、より大きい長さが特に有
利である。
第1のボディと第2のボディとによって形成される中
間の空間10は特に、毛管状の構造を有する。この毛管状
の構造は、たとえばポンプのような特別な設備を必要と
せずに、その外側の、第1のボディの金属壁3に熱伝達
媒体を供給する。
第1のボディの長手方向の両端部4および6には、特
に銅−コンスタンタン熱電対として形成される熱検出器
8および7がそれぞれ配置される。好ましくは、銅成分
は、第1のボディの金属壁3によって形成される。した
がって、これらの熱検出器はともに共通の銅の脚を有
し、これらの熱検出器の固有の時間定数は、この固定し
た形態のため実際的には0である。それによって第1の
ボディ1の第1の長手方向の端部4の放射入力領域の温
度が測定される熱検出器8は、第1のボディ1の反対側
の端部に配置された熱検出器7と同様に、銅の被覆に加
えてコンスタンタンワイヤを有し、このコンスタンタン
ワイヤは、電気的に導電性のある態様でそれぞれの被覆
に接続される。これらの2つの熱検出器7および8は、
それぞれの測定場所の温度に応答して、温度差の値を形
成するための手段12に接続可能な出力に電気的な出力信
号を送り、これらの出力信号は手段12に供給される。
2つの熱検出器7および8が対向して直列に接続され
かつ対応する2つの熱電電圧が互いの方向に向けられて
いるため、2つの熱検出器7および8の2つのコンスタ
ンタンワイヤの端部で測定されるべき起電力または電圧
は、ボディ1の2つの対向する長手方向の端部4および
6に向けられた温度が平衡になるまでは0である。
第1の長手方向の端部4には、そこの温度θを測定す
る独立した熱電素子16がさらに設けられる。
ボディ1の第1の長手方向の端部4の開口5を介して
装置に入射するレーザ放射は、黒体を加熱する。中間の
空間10に充填された熱伝達媒体は、金属壁3の一部分お
よび/または内筒底部(ボディ1の第2の長手方向の端
部6)を局所的に加熱するだけで既に蒸発する。内壁9
および内壁3の低温箇所には、中空の空間10の熱伝達媒
体が凝縮する。このために、薄い金属壁(質量m)の比
較的急速な熱膨張がもたらされる。したがって、レーザ
パルスによってとり入れられたエネルギは比較的短時間
の間に金属ボディを等温的に加熱する。レーザパルスを
とり入れた時間から最大温度の値θmaxになる時間まで
の間、放射、対流、または放射によってボディ1からか
なりの熱が逃げることはなく、その結果、温度θはほと
んど低下しない。
中空の空間においてレーザ放射が起こる部分から開口
を有する第1の長手方向の端部に向かう最初の熱伝達時
に、ボディ1で温度の等化が始まる。開口5の領域の温
度はボディ1の等温状態でその最大値に達し、その後、
熱の損失のためゆっくりと低下する。
手段12は、熱検出器7および8によって供給された電
気出力信号から、および、特に熱検出器16によって、温
度上昇Δθを検出し、さらに、万一の場合に備えてパル
ス時間Δtも検出する。測定された温度差および測定さ
れたパルス時間と、第1のボディ1の質量mと、材料特
有の熱容量値Ccu(ボディ1が銅からなる場合)とから
のレーザ放射パワーの数値計算は、特にレーザ放射を放
出する設備14も制御する下流データ処理システム13によ
って行なわれる。この計算は、たとえば本明細書の導入
部に示した式を用いて行なわれる。電力測定値Nはその
後データ処理システム13の出力で得ることができる。典
型的な値は、N=5020W(m=85g、Ccu=0.356Ws/g度、
Δθ=15.3度、Δt=100ms)。本発明に従った装置を
用いれば、0.98を上回る吸収ファクタεおよび2%未満
の誤差が得られる。これらの誤差値は、対応する測定装
置の測定精度を下回るものである。これらの値は、従来
的に適用されている方法では得られない。
第1のボディ1は、レーザ放射が予め定められた場所
に、すなわち、開口5の領域に予め定められた角度で入
射するように通過する開口5の領域においてレーザ放射
を放出する今述べた設備に結合することができる。この
ために、第1のボディ1はその開口の領域において、レ
ーザ放射を放出する設備の幾何学的形状に対応する幾何
学的形状を有する。特に、第1のボディ1は、その開口
5の領域ではその外側が円錐の形状をしている。レーザ
放射を放出する設備では、その放射出力開口の領域が対
応する円錐の形状を有する。したがって、装置1を、レ
ーザ放射を放出する設備に正確に結合することができ
る。
本発明に従った装置は、電空的にまたは電気機械的に
制御されるスイベルアームを用いて、対応する測定場所
に移動させることができる。
この装置は、熱に対して十分に絶縁され、たとえば容
器15内に配置される。容器15は、優れた熱絶縁特性を有
し、たとえば、押出し成形されたポリスチレン、シグラ
ポール、またはガラスウールが充填される。
参照番号リスト 1……第1のボディ 2……中空の空間 3……1の金属壁 4……1の第1の長手方向の端部 5……3の開口 6……1の第2の長手方向の端部 7……6の熱検出器 8……5の熱検出器 9……第2のボディ 10……1と9との間の中間の空間 11……熱伝達媒体 12……温度差の値を形成するための手段 13……データ処理システム 14……レーザ放射を放出するための設備 15……熱絶縁容器 16……熱検出器の銅−コンスタンタン( の測定のため
の独立した熱電素子)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ放射のパワー測定のための装置であ
    って、 中空の空間(2)を形成し、熱伝導性に優れた材料から
    なる金属壁(3)からなる薄い第1の細長いボディ
    (1)を含み、前記第1のボディは、その第1の長手方
    向の端部(4)においてレーザ放射を受けるための開口
    (5)と、前記中空の空間(2)における少なくともレ
    ーザ放射が及ぶ領域中の黒いおよび/または粗い表面
    と、各々がそれぞれその前記第1の長手方向の端部
    (4)および第2の長手方向の端部(6)上にある熱検
    出器(7、8、16)とを有し、前記熱検出器はそれぞ
    れ、前記熱検出器(7、8、16)の電気出力信号を処理
    する手段に結合されるように適合され、 前記第1のボディの長手方向の側面および前記第2の長
    手方向の端部(6)において前記第1のボディ(1)を
    囲み、かつ、前記第1のボディ(1)とともに、蒸発可
    能な熱伝達媒体(11)が挿入され得る中間の空間(10)
    を形成する第2の細長いボディ(9)をさらに含む、装
    置。
  2. 【請求項2】前記第1のボディおよび前記第2のボディ
    (1、9)は、銅または熱伝導性の優れた材料からなる
    ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】前記熱検出器(7、8、16)は、銅−コン
    スタンタン熱電対として、または、銅ではなくかつ前記
    第1のボディおよび前記第2のボディ(1、9)を形成
    する熱伝導性の優れた異なる材料と組合せることができ
    る熱電対として形成されることを特徴とする、請求項1
    または請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】前記第1のボディおよび前記第2のボディ
    (1、9)は内筒または多角形のボディとして形成され
    ることを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれ
    かに記載の装置。
  5. 【請求項5】前記ボディ(1)の長さと直径との比は3
    よりも大きいことを特徴とする、請求項1ないし請求項
    4のいずれかに記載の装置。
  6. 【請求項6】前記中間の空間(10)は毛管状の構造を有
    することを特徴とする、請求項1ないし請求項5のいず
    れかに記載の装置。
  7. 【請求項7】前記中空の空間(2)において前記第1の
    ボディ(1)の前記第1および前記第2の長手方向の端
    部(4、6)は円錐状に形成されることを特徴とする、
    請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項8】前記第2の長手方向の端部(6)の円錐は
    120゜の角度を有することを特徴とする、請求項7に記
    載の装置。
  9. 【請求項9】前記第1の長手方向の端部(4)の円錐は
    約100゜の角度を有することを特徴とする、請求項6ま
    たは請求項7に記載の装置。
  10. 【請求項10】前記第1のボディ(1)は、レーザ放射
    を受けるための前記開口(5)の領域において、レーザ
    放射を放出する設備(14)に結合されることができ、前
    記第1のボディ(1)とレーザ放射を放出する前記設備
    (14)とは対応する幾何学的形状を有することを特徴と
    する、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の装
    置。
  11. 【請求項11】前記第1のボディ(1)は、レーザ放射
    を受けるための開口(5)の領域において、その外側が
    円錐状に形成され、レーザ放射を放出する前記設備(1
    4)は、レーザ放射の放出領域において、対応する円錐
    の形状を有することを特徴とする、請求項10に記載の装
    置。
  12. 【請求項12】前記装置は熱絶縁容器(15)において支
    持されることを特徴とする、請求項1ないし請求項11の
    いずれかに記載の装置。
JP7510120A 1993-09-30 1994-09-30 レーザ放射のパワー測定装置 Expired - Lifetime JP2740883B2 (ja)

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LU88413 1993-09-30
PCT/EP1994/003268 WO1995009350A1 (de) 1993-09-30 1994-09-30 Vorrichtung zur leistungsmessung von laserstrahlung

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